模拟城市SO2污染对晚松生理特性的影响

拜永兰，陈保业，魏胜强，马少忠

(1.祁连县林场，青海 海北 810499； 2.祁连县林业站，青海 海北 810499)

晚松(PinusrigidaMiller var.serotina(Michx.)Loud.ex Hoopes)原产美国东南部沿海平原、丘陵和低山区，其适应性强、分布范围广、萌蘖能力强、耐修剪，具有良好的观赏特性，是矿区、城市和公路绿化的优良树种[1]。SO2是大气污染的主要污染物之一，随着工业化的不断发展，SO2的排放量增加对生态环境造成一定的不良影响。有研究表明，SO2主要通过植物叶片的气孔进入体内，溶化于细胞壁的水分中，形成重亚硫酸离子(HSO3-)和亚硫酸离子(SO32-)，并产生氢离子(H+)。这3种离子均能对细胞造成伤害[2]：H+通过降低细胞的pH值从而干扰代谢过程，SO32-和HSO3-直接破坏蛋白质的结构使相关酶类失活，在光下由含硫化合物诱发产生的活性氧会对细胞及膜的结构和功能造成更大的伤害，并且植物受SO2危害的程度与气体浓度和污染延续的时间成正比[3]。孔国辉等[4]曾以 20 mmol/L的NaHSO3模拟大气中的SO2污染在实验室处理 32种绿化植物，结果显示不同植物抗性强弱的顺序基本上与污染现场栽种植物抗性的高低相符；刘楠等[5,6]也曾利用此法研究了多种植物的SO2抗性，并采用此法进行抗SO2绿化植物的筛选。基于以上研究结果，本研究以外源NaHSO3处理模拟SO2污染实验，以期为晚松的园林应用提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于青海省海北藏族自治州祁连县，地理坐标为北纬37°25′16″～39°25′18″、东经98°05′35″～101°02′06″，县域东与门源、大通县接壤，南与海晏、刚察县相连，西与天峻县为邻，北及西北与甘肃省酒泉、肃南、民乐、山丹县(市)接界。境内平均海拔 3 169 m，年均温1℃，年均降水量约在420 mm，地表水年径流总量23亿m3，属典型的高原大陆性气候。祁连县境内生长着茂密的原始森林，以青海云杉(Piceacrassifolia)、圆柏(Sabinachinensis)、杨树(Populus)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等为主。

2 材料与方法

2.1 试验材料

于2018年3月采购晚松一年生实生苗，选择苗高一致、生长状况良好的幼苗90株，在苗圃地进行盆栽和日常栽培管理，以供试验之需。自2019年4月份开始，在人工控制条件下研究晚松盆栽苗对SO2的抗性。

2.2 研究方法

采用模拟SO2污染的试验方法，即分别采用浓度为10 mmol/L、30 mmol/L的NaHSO3溶液和蒸馏水浸泡(CK)晚松针叶24 h，然后测定各指标的变化情况。每处理3个重复，每重复苗木数量为10株。指标测定方法具体如下[7]：对叶绿素含量测定采用分光光度法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；过氧化物酶活性采用愈创木酚法在 470 nm下测定其吸光度，以 1 min 内的光密度值变化表示酶活性。

2.3 数据处理

数据处理采用SPSS 19.0数据统计分析软件进行，主要包括数据整理、均值分析、方差分析等。

3 结果与分析

3.1 叶绿体色素含量的变化

许多研究表明[8-10]，SO2污染使植物叶绿体色素含量降低，而且由于其酸化作用使叶绿体内催化反应的最适pH>7的酶类受到抑制，并且伤害了PSⅡ的电子供体，减缓了QA-的还原。由于各树种对SO2空气污染的抗性不同，其受害进程的表现也不同。叶绿素在各阶段相对含量的变化可以作为衡量树种抗性大小的指标[11]。由图1可知，模拟SO2污染对晚松针叶进行胁迫，不仅降低了叶绿体色素的含量，而且还改变了叶绿体色素的组成，并且各处理间叶绿素a、b的含量差异达到极显著水平(P<0.01)。其中，对照处理的叶绿素a和b的含量分别为 0.814 1 mg/g和 0.293 6 mg/g；10 mmol/L处理的叶绿素a和b的含量分别为0.526 2 mg/g和 0.178 7 mg/g；30 mmol/L处理的叶绿素a和b的含量分别为0.529 8 mg/g和 0.180 6 mg/g。经进一步Duncan多重比较表明，低浓度(10 mmol/L)和高浓度(30 mmol/L)的NaHSO3处理与对照(CK)之间均存在极显著差异(P<0.01)，而低浓度和高浓度处理间差异不显著(P>0.05)，说明SO2易导致晚松失绿，但污染浓度对晚松受害程度影响不大。

图1 不同处理的叶绿素a、b含量

叶绿素a/b值在模拟SO2污染胁迫下比对照略有升高，其中低浓度(10 mmol/L)的NaHSO3溶液处理的最高，为 2.944 1(图2)，这与冯宗炜等[12]的研究结果相同，说明模拟SO2污染对叶绿素b含量的影响大于对叶绿素a含量的影响。研究还表明，模拟SO2污染胁迫对类胡萝卜素含量的影响差异不显著(P>0.05)，这可能与类胡萝卜素的组成较稳定有关。

图2 叶绿素a/b的变化Fig.2 Change of chlorophyll a/b rate

3.2 过氧化物酶活性的变化

当植物遇到逆境胁迫时，容易发生膜质过氧化作用，进而导致细胞膜损伤[13]。过氧化物酶是植物体内广泛存在的酶，是植物适应逆境胁迫的重要保护酶，对植物清除过氧化物和自由基，防止逆境下膜质过氧化带来的伤害有重要的作用。因此，过氧化物酶活性的变化在一定程度上代表了植物抗逆能力的强弱。在晚松受到模拟SO2污染胁迫时，其过氧化物酶活性增加显著。低浓度(10 mmol/L)胁迫处理为 8.109 5 u/(g·min)，高浓度胁迫处理达 25.508 2 u/(g·min)，分别为对照3.263 9 u/(g·min)的2.5倍和7.8倍(图3)。经 Duncan 多重检验表明，高浓度处理与对照之间以及高浓度处理与低浓度处理之间均达到极显著差异(P<0.01)。

图3 不同处理浓度的过氧化物酶活性Fig.3 The effect of different treatments on peroxidase activity

3.3 可溶性糖含量的变化

在SO2污染胁迫下，不同植物可溶性糖含量的变化不同。连玉武等[14]研究发现，生活在SO2大气污染环境中的芒果、银桦、台湾相思树可溶性糖含量明显下降。SO2对油菜叶片含糖量的影响表现为SO2浓度增加，含糖量开始呈上升趋势，而后迅速下降；但在模拟酸雨暴露下，油菜叶片含糖量呈逐渐下降的趋势，而在强酸条件下，常出现一次反弹。大豆对SO2浓度的高低在含糖量变化上则不明显，但在强酸刺激下也有反弹现象。由图4可知，在低浓度NaHSO3胁迫下，晚松针叶可溶性糖含量略低于对照，但差异不显著(P>0.5)，说明针叶的光合作用并未受到阻碍；在高浓度NaHSO3胁迫下，晚松针叶可溶性糖含量增加显著，无论与对照相比还是与低浓度处理相比较，均存在极显著差异(P<0.01)，出现反弹现象，这可能是由于高浓度的NaHSO3溶液处理刺激了细胞中光合产物向糖的转化，使可溶性糖含量在短时间内迅速增加。

图4 不同处理的可溶性糖含量Fig.4 Soluble sugar content with different treatments

4 结论与讨论

2年生晚松叶绿素a、b对模拟SO2污染逆境反应敏感，含量明显下降，叶绿素b所受伤害大于叶绿素a，类胡萝卜素较不敏感。SO2污染可促进晚松膜质过氧化作用，进而导致并加速植物体的衰老。李振国等[15]研究认为，SO2对植物的伤害过程中会发生一系列现象，如乙烯的增生、膜质的过氧化、荧光物质的积累等。晚松体内过氧化物酶活性的增加能有效阻止这种膜质过氧化作用，从而使其在SO2污染胁迫较轻时免受伤害。基于实验研究和晚松的生物学特性，对晚松园林应用的建议如下：晚松在SO2污染胁迫下，生理生化过程未受太大影响，但叶绿素含量降低，生长可能受抑制。因此，在将晚松用于具有SO2污染的厂矿绿化时，应慎重考虑由于针叶可能部分失绿对景观带来的负面影响。必须指出的是，逆境对植物的影响从外部形态到内部生理生化变化是复杂多样的，不同的生长阶段和不同的生境下植物的抗逆能力存在差异性，目前的实验条件下，对晚松2年生盆栽苗进行部分生理生化指标的测定，还不能替代实际应用过程中对该植物的评价。因此，在晚松园林应用过程中，还应考虑栽培环境、管理措施和各种复合逆境胁迫的影响，做到适地适树以充分发挥其环境绿化功能。